玉陽湖溢洪道體型及泄流能力試驗研究

李松平，賈文博，趙玉良，趙雪萍，蔡 毅

(1.河南省水利科學研究院，河南 鄭州 450003；2.河南省科達水利勘測設計有限公司，河南 鄭州 450003；3.河南省水利工程安全技術重點實驗室，河南 鄭州 450003)

溢洪道是水庫樞紐工程的重要組成部分，是保證水庫大壩安全的重要設施，是宣泄洪水的主要途徑。溢洪道體型布置合理與否不僅影響著水庫的泄流能力，也關系著工程投資，因此開展相關研究是非常必要和有益的。國內很多學者結合工程實例，對溢洪道的布置和過流能力做了深入研究，為工程的合理布置提供了科學依據。袁群等[1]結合河南省鴨河口水庫除險加固工程，對溢洪道泄流能力進行了研究，為工程設計提供了參考依據，并進一步探討了WES型復合堰劃分標準，給出了設計水位流量系數的擬合公式，為進一步研究奠定了基礎。周蘇芬等[2]基于模型試驗對某水庫溢洪道除險加固工程臺階式溢洪道方案進行了研究,對溢洪道閘室出口泄槽連接段、泄槽摻氣設施及消力池消力墩進行不同方案優化布置,優化后泄槽內水翅現象消除,水流流態得到改善,總消能率有所提高。胡良民等[3]采用物理模型試驗方法對某山區溢洪道進行了優化設計，并對水流流態及消能率等方面進行了試驗研究。本文結合濟源市三湖治理工程新建玉陽湖工程，采用1∶40的水工模型試驗，對玉陽湖溢洪道泄流能力、水流流態、壓力分布、消能沖刷等復雜水力特性進行了研究，通過優化體型解決了溢洪道泄流能力不足、消力池消能效果不好，閘墩和下游翼墻高度不夠的問題，為玉陽湖的安全運行提供了技術保障。

1 工程布置

玉陽湖位于黃河流域蟒河支流湨河上，河南省濟源市西約4 km，控制流域面積152.5 km2，總庫容664萬m3，是一座以改善城市水環境為主，兼顧城市應急供水及防洪等綜合利用的小(1)型水利樞紐工程。水庫正常蓄水位172.00 m；30年一遇水位171.00 m；50年一遇設計水位171.19 m；500年一遇校核水位173.38 m。水庫布設有5孔溢洪道，最大泄流量2 633.0 m3/s。溢洪道由進口段、閘室段、消力池段、漸變段和海漫段組成。進口段為圓弧形半重力式擋土墻，閘室段長27 m，過流寬度50 m，閘底板高程161.00 m，曲線型實用堰，堰頂高程165.00 m，堰后降至159.50 m；消力池段總長度50 m，布置有兩級消力池，均設有消力坎，一級消力池長度30 m，寬度由62 m漸變到74 m，坎高3.0 m；二級消力池長20 m，寬74 m，坎高1.7 m；漸變段長40 m，由矩形斷面變為梯形斷面，底寬不變。海漫段長60 m，為梯形斷面，末端設防沖槽，防沖槽深1.5 m，頂寬10.5 m，底寬3 m。溢洪道剖面見圖1。

圖1 溢洪道縱剖面(m)

2 研究方案和模型制作

2.1 試驗內容

為驗證溢洪道泄流能力、進出口體型、消能防沖等布置合理性，通過建立正態水工模型，對溢洪道過流能力，閘墩及上下游翼墻高度合理性，流態、流速分布及堰面壓力，消力池型式、長度、深度的合理布置及消能效果進行系統研究，為工程運行管理提供科學依據。

2.2 模型范圍和比尺選擇

模型按重力相似準則設計[4-7]，充分考慮縮尺效應的影響，綜合考慮后選定比尺為1∶40的整體正態模型，并由此確定流速、流量、時間、糙率、沖刷等其他比尺。模型長度范圍上游自Y0-345 m斷面延伸至庫區，下游截取至Y0+237 m斷面。模型寬度范圍根據地形和校核洪水位選取，以保證寬度范圍不影響溢洪道上下游流態。為使模型能準確反映原型的水流狀況，進一步提高試驗精度，在模型上游庫區增設多道花墻，用來平穩水流。加上Y0-345斷面開始的河道天然調整能力，該模型范圍滿足試驗段流場與原型流場的相似[4]。

2.3 模型制作

模型制作時嚴格控制精度。原型河道糙率在0.035～0.038，按照相似準則，模型糙率為0.019～0.021，水泥粗砂漿粉面拉毛可以滿足阻力相似。溢洪道進口引水渠及出口翼墻、消力池為混凝土建筑物，模型制作時用水泥砂漿抹制并做成凈水泥表面。原型閘室采用混凝土襯砌，糙率值為0.014[5]，要求模型糙率為0.007 6，有機玻璃的糙率為0.007 5～0.008 5[7]，采用有機玻璃制作溢洪道閘室能滿足阻力相似。

3 原設計試驗結果

3.1 泄流能力

在定床的基礎上對玉陽湖水庫溢洪道水位流量關系進行了系統研究[5]，特別是對30年一遇、50年一遇和500年一遇3種特征工況進行重點測量觀察。從試驗結果來看，原設計泄流能力不足，見表1。

表1 泄流能力

3.2 流態、流速

原體型各工況下，溢洪道進口水流平穩。過閘室后在一級消力池形成淹沒水躍，30年、50年一遇躍首前后移動不大，500年一遇時，躍首上下移動范圍2 m左右，水流在一級消力池兩側附近形成回流，50年一遇洪水時，回流區右岸流速-1.27～-1.74 m/s，左岸流速-2.13～-2.55 m/s，500年一遇洪水時，回流流速-1.7～-2.4 m/s，回流沿側墻回溯而上，水花周期性地沖上邊墻頂，邊墻高度不夠，見圖2。水流出一級消力池后在二級池內形成水躍，30年、50年一遇水躍穩定，偶爾有水流上竄墻頂的現象。500年一遇二級消力池躍首呈扇形分布，軸線附近的躍首已超出消力坎，過消力坎后形成了跌水，一二級消力池兩側墻頂上水明顯，側墻高度明顯不足，見圖3。

30年一遇洪水溢洪道下游Y0+177斷面到Y0+190斷面兩岸均有一大的回流區，寬度約3 m，回流流速在-0.73～-1.67 m/s之間。50年一遇洪水時，溢洪道下游Y0+177至Y0+193斷面附近的回流區增大，回流最大寬度約5.2 m，回流流速-0.82～-1.73 m/s。500年一遇洪水時，溢洪道下游Y0+180至Y0+205斷面兩岸回流區范圍繼續增大，回流寬度約5 m，回流流速在-2.0～-2.6 m/s之間。下游邊墻高度只有Y0+087至Y0+117斷面之間尚能滿足要求，其余均不能滿足要求。水流過防沖槽后壅高明顯，波動也隨之加大，溢洪道左右兩岸翼墻上水明顯。

3.3 壓力分布及消能

壓力采用測壓管量測時均動水壓力。溢洪道全程無負壓出現，最小壓力和最大壓力均出現在校核洪水位時，最小壓為0.23 m水柱，位于曲線段頂部Y0+016.14斷面附近；最大壓力11.89 m水柱，位于引水渠。壓力分布良好。30年一遇洪水時，經過兩級消力池消能后，防沖槽前流速為6.26 m/s，超出了下游漿砌石的抗沖流速范圍[8-9]，消力池消能效果較差。

4 體型優化研究

分析原試驗結果可知，原設計方案存在泄流能力不足、溢洪道下游翼墻高度不夠、消力池消能效果不好等問題。針對以上問題，對原設計方案進行了優化。優化設計方案保持溢洪道進出口體型不變。在原體型基礎上，將進口底板高程和堰面曲線高程統一降低0.6 m，見圖4。將消力池改為一級消力池，消力池的長度為40 m，寬度由62 m漸變至74 m，消力池底部高程為156.90 m，消力坎頂部高程為159.80 m，見圖5；漸變段長40 m，由矩形斷面變為梯形斷面，底寬保持不變。海漫段長度為60 m，斷面型式為梯形，末端設防沖槽，防沖槽深2.5 m，頂寬10.5 m，底寬3 m。

4.1 泄流能力

優化體型30年一遇工況時，閘門為控泄運行，此時溢洪道的泄量剛好與設計值相等，溢洪道的泄流能力滿足設計要求；50年一遇工況時，實際泄流量為1 697.5 m3/s，比設計泄流量大12.5 m3/s；500年一遇工況下，實際泄流量為2 679.4 m3/s，比規劃泄量大46.4 m3/s。優化方案泄流能力滿足設計要求，見表1。

4.2 修改型流態、流速

30年一遇洪水時，溢洪道進口段水流平穩，水流過閘室后在消力池內形成水躍，躍首前后移動較大，水躍劇烈翻滾，摻入大量氣體，水體呈現出乳白色，躍后水面很平穩地越過消力坎流向下游，過消力坎后形成波狀水躍，躍后水面壅高明顯，隨后平穩地向下游推移，見圖6。水流擴散后碰撞消力池側墻，在消力池兩側墻附近形成回流，回流沿側墻逆流而上，與下泄水流相匯后形成水花，水花偶爾竄上邊墻頂部，但與原體型相比，水量大為減小。溢洪道下游段邊墻高度不足，建議加高。50年一遇洪水流速流態與30年一遇洪水時極其相似。

當施放500年一遇洪水時，進口水流整體平穩。翼墻外水位為173.76 m，考慮到安全超高，墻頂高程已明顯不足。消力池水躍流態與30年、50年一遇洪水極為相似，水躍旋滾更加劇烈，水體乳化更為明顯，見圖7。消力池兩側墻處回流依然存在，水花周期性竄上墻頂，但與原體型相比，水量減少很多。水流過消力坎后，形成二次水躍，躍首呈扇形分布，躍后水面壅高明顯，側墻高度明顯不足。

圖7 優化體型500年一遇邊墻上水明顯

4.3 壓力分析

優化體型30年、50年一遇洪水溢洪道全程為正壓；500年一遇洪水，除了溢洪道Y0+016.14斷面附近出現負壓外(負壓值為-0.92 m水柱)，其余斷面均為正壓，壓力分布較為良好。根據模型實測數據，對溢流壩反弧段及其附近氣穴指數進行計算：

(1)

式中ha——大氣壓強高度，計算時采用10.33 m水柱高；hv——與水溫相對應的水的飽和蒸汽壓強；h——某種邊界形狀上游的壓強水頭；v——斷面平均流速。

由此計算出的溢流壩反弧段和負壓處的氣穴指數分別是1.414和1.102，查水利計算手冊可知不平整度小于10，發生氣蝕的可能性較小。安全起見，仍建議施工時嚴格控制平整度[10]，以防氣蝕帶來的破壞，壓力分布見圖8。

圖8 修改體型溢洪道特征水位測壓管水頭線示意(m)

4.4 消力池消能分析

優化體型將消力池段由二級改為一級。為分析消力池消能情況，對水躍的消能率進行計算：

(2)

式中Kj——水躍消能率；ΔHj——水躍段的消能量；H1、H2——躍前與躍后斷面的總水頭。

經分析證明，水躍消能率乃是佛汝德數Fr1的函數。Fr1越大，效能率越高。計算可知，30年、50年、500年一遇Fr1分別為2.5、3.2、3.2，Fr1介于2.5～4.5之間，水躍不穩定，Kj小于44%。從試驗實測的流速來看，30年一遇洪水時消力池前最大流速為13.40 m/s，過消力池后，最大流速降到6.76 m/s，流速衰減50%，其他工況下流速衰減幅度在46%～57%，流速大幅減小，消力池起到了明顯的消能效果。防沖槽前的最大流速為2.96 m/s，低于下游漿砌石抗沖流速。綜合分析，消力池設置基本合理。

5 結語

溢洪道堰面及底板高程降低后，溢洪道各工況下泄流能力均滿足了設計要求，保證了工程安全。消力池由二級消力池改為一級消力池后，各級流量下消力池的流態、消能效果均較好，采用漿砌石防護能夠滿足要求，大大地節約了工程成本。結合試驗結果，建議對消力池和下游溢洪道翼墻進行加高，防止水流翻越翼墻后對翼墻底部基礎的淘蝕。由于水力學基于經驗總結，只憑經驗公式的計算并不能完全解決水力學問題。玉陽湖溢洪道合理性布置，就是通過模型試驗的反復驗證修改完成的，因此把模型試驗和設計緊密結合在一起是非常必要的。